行業(yè)應(yīng)用
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1 前 言
地震波勘探方法是地球物理勘探方法中運(yùn)用最早、最廣的方法之一，它是以人工地面激發(fā)的地震波在近地面介質(zhì)中傳播時(shí)發(fā)生的折射，根據(jù)折射波到達(dá)檢波器的時(shí)間，分析獲得地下介質(zhì)的空間分布特征的一種地球物理方法。地震波在地下傳播中，當(dāng)?shù)貙訋r石的彈性參數(shù)發(fā)生變化，從而引起地震波場(chǎng)發(fā)生變化，通過人工接收變化后的地震波，經(jīng)數(shù)據(jù)處理，解釋后即可反演出地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)及巖性，達(dá)到地質(zhì)勘探的目的。
時(shí)間服務(wù)是地震觀測(cè)中的一個(gè)極為重要的內(nèi)容。時(shí)間同步的測(cè)量精度直接影響到地震觀測(cè)記錄的質(zhì)量，是地震數(shù)據(jù)分析和地震波反演工作所需的極有價(jià)值的數(shù)據(jù)。地震勘探中，地震波到達(dá)的絕對(duì)時(shí)間及其測(cè)量的精度，是進(jìn)行震相分析和確定震源位置的重要依據(jù)。地震震源位置的確定，主要是依靠地震波的震源到各觀測(cè)點(diǎn)之間的走時(shí)差，地震波P 波的速度在地殼為6 km/s，在地幔最大可達(dá)13.5 km/s，如果時(shí)間不準(zhǔn)，相差零點(diǎn)幾秒就可以使定位誤差達(dá)到幾公里甚至幾十公里之多。更重要的是，時(shí)間同步系統(tǒng)誤差將會(huì)造成一系列地震參數(shù)計(jì)算的誤差，如P 波到達(dá)時(shí)、發(fā)震時(shí)刻、震中位置、震源深度、地震震級(jí)計(jì)算精度及由上述參數(shù)導(dǎo)出的地震模型、震源機(jī)制、地震動(dòng)力學(xué)等諸項(xiàng)結(jié)果誤差，使后期的科研成果的可信度降低。所以在地震觀測(cè)臺(tái)站中，絕不能忽視時(shí)間同步問題。本研究利用GPS 授時(shí)信號(hào)全方位、實(shí)時(shí)性、連續(xù)性和高精度的特點(diǎn)，以GPS 的
PPS 信號(hào)為基準(zhǔn)來校準(zhǔn)本地時(shí)鐘，采用單片機(jī)和無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集同步技術(shù)，對(duì)無線遙測(cè)各道的地震數(shù)據(jù)進(jìn)行的同步處理?？上到y(tǒng)地解決現(xiàn)有同步的傳輸延遲大、分布采集單元的電路轉(zhuǎn)發(fā)延遲等因素造成的非同步采集，反映所采集的地震數(shù)據(jù)的真實(shí)性、準(zhǔn)確性。
2 多道地震儀的無線同步采集系統(tǒng)方案在地震波勘探中，地震檢波器和多道地震儀分部如圖1 所示，由于受地形（高山、河流、公路、鐵路、建筑等）和距離的限制，分布的多道地震儀之間的同步大都采用無線方式同步，震源信號(hào)由主控制器接收，通過有線或無線傳送到各多道地震儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，在無線傳送過程中，由于無線發(fā)送、中繼和接收存在時(shí)延，從而使同步產(chǎn)生誤差。無線同步系統(tǒng)分為檢波器數(shù)據(jù)同步無線發(fā)送系統(tǒng)和采集端的無線同步接收處理系統(tǒng)兩個(gè)部分，原理框圖如圖2 所示。前者主要負(fù)責(zé)通過檢波器模擬電路對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生測(cè)試所需同步信號(hào)，其中檢波器模擬信號(hào)采用了24 位的AD 采集，提高信號(hào)數(shù)據(jù)處理的精度，拾取的同步信號(hào)通過無線數(shù)傳模塊（或電臺(tái)）以比較精確的數(shù)字方式發(fā)送，保證勘探儀器各道采集同步數(shù)據(jù)。該部分主要是保證測(cè)試信號(hào)及后來實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間同步基準(zhǔn)，其觸發(fā)時(shí)間為一個(gè)高精度的時(shí)間數(shù)值，精度小于1 μs。后者是在利用無線數(shù)傳模塊（或電臺(tái)）接收各個(gè)采集所傳送的具有延時(shí)誤差的相關(guān)數(shù)據(jù)后，利用GPS 的PPS 信號(hào)對(duì)由有源晶振和定時(shí)器組成的時(shí)基系統(tǒng)進(jìn)行同步調(diào)
整，使得同步信號(hào)的誤差降至預(yù)期目標(biāo)，最終使系統(tǒng)以同步方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并將同步數(shù)據(jù)傳輸?shù)娘@示終端。
由于GPS 地面控制系統(tǒng)將各個(gè)原子頻標(biāo)同步比相對(duì)于美國海軍天文臺(tái)（USNO）的原子時(shí)而建立GPS 系統(tǒng)，因此，GPS 系統(tǒng)時(shí)的長期穩(wěn)定性非常好，相應(yīng)表示GPS 系統(tǒng)時(shí)的GPS 接收機(jī)秒脈沖的長期穩(wěn)定性也非常好，可以接收到導(dǎo)航授時(shí)電文并產(chǎn)生精確的1PPS 信號(hào)（精度為50 ns～1 μs），因而無線同步系統(tǒng)的精度可小于2 μs，并與無線發(fā)送、中繼和接收存在的時(shí)延無關(guān)。圖 1 地震勘探中檢波器和多道地震儀分部圖
3 GPS 授時(shí)原理及其在本系統(tǒng)的應(yīng)用
3.1 GPS 授時(shí)原理
GPS 衛(wèi)星信號(hào)包含三種信號(hào)分量:載波、測(cè)距碼和數(shù)據(jù)碼。時(shí)鐘頻率選用10.23 MHz，利用頻率綜合器產(chǎn)生所需要的頻率。每顆GPS 衛(wèi)星都以L 波段上的兩種載頻：L1=1 575.42 MHz 和L2=1 227.60 MHz發(fā)射信號(hào)。
在L1 載頻上，由數(shù)據(jù)流和兩種偽隨機(jī)碼分別進(jìn)行同相調(diào)制和正交方式調(diào)制，其中偽隨機(jī)碼信號(hào)是一種頻率為10.23MBPS 的精密偽隨機(jī)碼，稱之為P碼，另一種是頻率為1.023MBPS 的粗捕獲碼，稱之為C/A 碼。
在L2 載頻上，只有P 碼進(jìn)行雙相調(diào)制，P 碼的作用是與L1 上調(diào)制的P 碼相配合，測(cè)量出或消除由于電離層效應(yīng)而引起的延遲誤差。GPS 的導(dǎo)航電文信息由P 和C/A 兩個(gè)相互正交的偽隨機(jī)碼對(duì)兩個(gè)載波L1、L2 進(jìn)行二次調(diào)制之后采用調(diào)相技術(shù)調(diào)制到載波上，然后向全球發(fā)射，從而在一定程度上使得其能夠傳輸實(shí)時(shí)性更高的電文信息。
基于以上原因，使得GPS 時(shí)鐘可以成為世界協(xié)調(diào)時(shí)———UTC（USNO）。它既可以滿足人們對(duì)均勻時(shí)間間隔的要求，又可以滿足人們對(duì)以地球自轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)的準(zhǔn)確世界時(shí)刻的要求。在GPS 衛(wèi)星上載有與UTC 時(shí)間同步的銫原子或氫鐘，這樣它就成為一種空間的時(shí)間基準(zhǔn)，地上的用戶可接收發(fā)自GPS 衛(wèi)星的時(shí)間服務(wù)信號(hào)校正本地時(shí)鐘，使之與GPS 時(shí)鐘同步完成時(shí)間傳遞任務(wù)，稱為 GPS 授時(shí)。
3.2 GPS 授時(shí)在本系統(tǒng)中的應(yīng)用針對(duì)多道地震儀的時(shí)間同步技術(shù)指標(biāo)的高精度要求，從以上分析我們考慮利用并不昂貴的GPS接收機(jī)，其秒脈沖精度為500 ns。在井口處拾取同步脈沖后，通過自行設(shè)計(jì)的高效通信協(xié)議和通信線路將同步信息傳送到各同步測(cè)量點(diǎn)，在通過各測(cè)量點(diǎn)的GPS 的PPS 信號(hào)來延時(shí)同步，以GPS 秒脈沖信號(hào)為時(shí)間基準(zhǔn)的時(shí)測(cè)模塊原理和時(shí)延模塊原理是本設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)同步脈沖輸出的關(guān)鍵技術(shù)。時(shí)測(cè)原理：用秒脈沖作為每個(gè)多道地震儀的時(shí)間同步基準(zhǔn)，再根據(jù)每個(gè)多道地震儀的收發(fā)電路延時(shí)，來確定一個(gè)精確的延時(shí)時(shí)間。利用GPS 時(shí)鐘信號(hào)與有源晶振時(shí)鐘信號(hào)互補(bǔ)，通過單片機(jī)計(jì)算出t10，t20，t1，t2，其工作原理如圖3 所示。
時(shí)延原理：在地震勘探中，由井口檢波器得到爆炸信號(hào)，發(fā)送模塊檢測(cè)到爆炸信號(hào)后，發(fā)出同步信號(hào)，每個(gè)多道地震儀根據(jù)時(shí)測(cè)模塊測(cè)得t10，t20，t1，t2，進(jìn)行相應(yīng)的延時(shí)。延時(shí)時(shí)間一旦達(dá)到，時(shí)延模塊就會(huì)發(fā)出同步脈沖。此時(shí)多道地震儀通過同步脈沖信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，其工作原理如圖4 所示。
為了有效利用上述原理，通過檢波器模擬電路發(fā)出測(cè)試同步信號(hào)，接收機(jī)接收后根據(jù)實(shí)測(cè)原理準(zhǔn)確計(jì)算出同步信號(hào)到達(dá)測(cè)試通道1、2 的時(shí)間t10、t20，同時(shí)利用PPS 信號(hào)調(diào)整并計(jì)算兩者達(dá)到同步的時(shí)間t1、t2，在實(shí)際的測(cè)試當(dāng)中也是在前級(jí)系統(tǒng)發(fā)出爆炸信號(hào)后利用t1、t2 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)處理并發(fā)出同步信號(hào)，控制數(shù)據(jù)同步采集。
4 創(chuàng)新點(diǎn)
（1）各模塊所產(chǎn)生的同步信號(hào)精度高。最大誤差為±2 μs；
（2）各模塊產(chǎn)生的同步信號(hào)不受地域限制，可實(shí)現(xiàn)寬地域范圍甚至全球范圍的同步測(cè)量和控制；
（3）利用本同步技術(shù)設(shè)計(jì)的模塊具有體積小、重量輕、成本低等特點(diǎn)，具有廣泛應(yīng)用前景?？捎糜谶b測(cè)各道的地震數(shù)據(jù)的同步采集和數(shù)字式檢波器的地震數(shù)據(jù)同步采集和其他同步測(cè)量領(lǐng)域；
（4）同步模塊還可準(zhǔn)確標(biāo)識(shí)測(cè)點(diǎn)的地理位置。
5 總結(jié)
本研究分析了時(shí)測(cè)、時(shí)延原理，通過運(yùn)算得出系統(tǒng)的時(shí)間同步精度。GPS 模塊的精度為±50 ns，8 253 分頻時(shí)的基頻每個(gè)延遲時(shí)間約為100 ns，加之
在信號(hào)傳輸?shù)倪^程中由于硬件等造成的時(shí)間延遲，故系統(tǒng)的同步精度最大誤差為±2 μs。本研究設(shè)計(jì)了無線同步模塊的各個(gè)功能模塊，在硬件上依據(jù)“低功耗、高精度”的整體思想，確定了各模塊的具體器件及實(shí)現(xiàn)電路，根據(jù)設(shè)計(jì)制作了多個(gè)樣品，測(cè)試后指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，可以解決大范圍的地震儀分布式時(shí)的授時(shí)同步和空間定位(經(jīng)度、緯度、海拔)問題。該時(shí)間同步系統(tǒng)與國外新型的記錄儀授時(shí)方式統(tǒng)一，便于國際間地震記錄數(shù)據(jù)的交流與對(duì)比，也為GPS 在其它領(lǐng)域的應(yīng)用提供了一個(gè)范例，具有廣泛的應(yīng)用前景。基于GPS 的高精度無線同步技術(shù)的研究，它對(duì)數(shù)據(jù)的采集同步和地震勘探儀器的同步本身都是一種新的觀念，用這種同步技術(shù)研究的儀器產(chǎn)品可滿足多種同步儀器和地震勘探需求，對(duì)數(shù)字式檢波器的研究有著非常重要的意義。
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